Распределения акустического давления и зон кавитационной активности в жидкости: численное моделирование и эксперимент

Одним из направлений изучения физико-химических процессов, происходящих в жидкости под действием высокочастотных звуковых колебаний (ультразвука), является определение роли акустической кавитации. Ее возникновение обусловлено неоднородностью акустического давления, создаваемого волнами от источника ультразвука (излучателя). Основная задача настоящей работы заключается в численном исследовании в пакете COMSOL Multiphysics трехмерного стационарного распределения акустического давления в рабочей области, заполненной жидкостью с заданными физико-химическими свойствами. Совместно с вычислительными экспериментами проводится натурное установление расположения зон кавитационной активности методом foil test, результаты которого оцениваются путем сравнения со структурой рассчитанного внутри рабочей полости звукового поля. В рамках разрабатываемой численной модели для простоты рассматриваются стоячие ультразвуковые волны. Используются две формы расчетной области - прямой круговой цилиндр и прямоугольный параллелепипед. Анализируется стационарное распределение акустического давления над круглым излучателем. Полагается, что ультразвуковые стоячие волны распространяются в жидкой среде, которая сжимаема, при этом диссипация звуковой энергии при наличии вязкого трения и образовании парогазовых пузырьков в жидкости не учитывается. На верхней и боковой границах рабочей полости задается либо нулевое давление, либо условие импеданса. Исследуется распределение акустического давления, возникающего в жидкости под воздействием стоячей ультразвуковой волны при резонансных и нерезонансных частотах излучателя. Выполняется сопоставление распределения акустического давления в центральном сечении рабочей полости с фотографиями алюминиевой фольги, полученными в натурном эксперименте.